Реализация практических результатов работы осуществлялась в соавторстве с ведущими специалистами литейного производства при совместной постановке соответствующих задач и обсуждении полученных результатов.
На защиту выносится:
Математические модели тепловых условий направленной кристаллизации при радиационном и конвективном (в жидком металле) охлаждении формы.
Метод экспериментального изучения тепловых условий направленной кристаллизации, состоящий из методики измерения температуры в металлическом расплаве при температурах до 1800оС и методики обработки измерений с целью определения градиента температуры и скорости перемещения двухфазной зоны отливки.
Метод выбора режима НК, обеспечивающего формирование заданной макро- и микроструктуры.
Модель конкурентного роста столбчатых зерен. Механизм подавления зерном, имеющим наименьший угол между одним из направлений роста <001> и вектором градиента температуры, зерен с иной кристаллографической ориентацией.
Модели формирования усадочной микропористости.
Модель образования усадочной раковины и макропористости с учетом капиллярного питания двухфазной зоны отливки.
Концепция и комплекс специализированных программ для моделирования затвердевания отливки в промышленных литейных установках.
Методическое обеспечение внедрения и практического применения систем моделирования литейных процессов в литейном производстве.
Апробация работы.
Результаты работы доложены и обсуждены:
а) на Международных научных конференциях:
V Международной научно-технической конференции "Кристаллизация и компьютерные модели" (Ижевск, 1992 г.);
The Ninth International Symposium on Superalloys, "Superalloys 2000" (USA, 2000 г.);
Международной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века» (Москва, 2000 г.);
The Twelfth International Heat Transfer Conference ”Heat Transfer 2002” (France, 2002 г.);
III Международной научно-практической конференции "Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2005 г.);
IV Международной научно-практической конференции "Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2007 г.);
5-й Московской Международной конференции «Теории и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ)», (Москва, 2007 г.);
The 7th Pacific Rim International Conference on Modeling of Casting and Solidification Processes (China, 2007 г.);
The 8th Pacific Rim International Conference on Modeling of Casting and Solidification Processes (Republic of Korea, 2010 г.).
The 13th International Conference on Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes (MCWASP_XIII, Austria, 2012).
б) на Российских научных конференциях:
I Всесоюзном симпозиуме "Жаростойкие и жаропрочные металлические материалы"( г. Звенигород 1989 г.);
I Уральской школе по росту кристаллов металлов и интерметаллидов из расплава (Свердловск, 1990 г.,);
Научно-техническом семинаре "Механика и технология машиностроения" (Свердловск, 1990 г.);
IV Всесоюзной конференции по проблемам кристаллизации сплавов и компьютерного моделирования (Ижевск, 1991 г.);
Всероссийской научно-практической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-2006» (МАТИ, Москва, 2006 г.);
Научно-практической конференции «Литье по выплавляемым моделям. Проблемы и пути их решения» Российской Ассоциации литейщиков (Воронеж, 2006).
Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии» (МГТУ им. Баумана, Москва, 2008).
«Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (Рыбинск, 2007 г.);
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 21 статья в научных изданиях из перечня ВАК, без соавторов опубликовано 7 работ. Получено 5 свидетельств о регистрации электронного ресурса (программные модули и комплексы программ для ЭВМ) Объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование» Российской академии образования.
Структура и объем диссертации
Материал диссертации изложен на 300 страницах текста компьютерной верстки в формате 14 pt, Times New Roman, содержит 125 рисунков, 11 таблиц. Список литературных источников содержит 109 ссылок. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и списка литературных источников, списка публикаций по теме диссертации и 1 приложения, подтверждающего использование результатов диссертационной работы в промышленности.
Краткое содержание работы
Во введении обсуждается актуальность темы диссертационной работы, цели и задачи, новизна и научно-техническая значимость работы.
В первой главе дан ретроспективный анализ развития макроскопической теории кристаллизации и пути ее практического применения на основе упрощений, возможных применительно к конкретному технологическому процессу. В рамках этой теории в стационарном приближении рассмотрены теплофизические аспекты процесса направленной кристаллизации (НК) с охлаждением отливки на кристаллизаторе (метод Бриджмена) и в жидком металле (метод Liquid Metal Cooling, LMC).
Разработаны модели процесса направленной кристаллизации отливок простой геометрической формы (постоянного сечения и конечной длины) при устойчивом плоском фронте роста со скоростью кристаллизации порядка 10 мм/ч, необходимом для получения отливок никелевых жаропрочных сплавов с естественной композиционной структурой .
Математическая формулировка задачи представляет собой систему уравнений теплопроводности для трех зон отливки. В первой зоне моделируются условия радиационного нагрева боковой поверхности формы. Во второй зоне, длина которой равна толщине экранов, разделяющих нагреватель и холодильник установки для направленной кристаллизации, тепловой поток на боковой поверхности формы равен нулю. В третьей зоне боковая поверхность охлаждается излучением к боковому холодильнику (метод Бриджмена) или конвекцией в жидком металле. На поверхности кристаллизуемого расплава задан теплообмен излучением, температура нижнего конца отливки определяется теплопередачей через дно формы к холодильнику.
В результате аналитического решения для линеаризованных граничных условий получены распределения температуры в зонах отливки и выражения для градиента температуры на фронте кристаллизации. Показано, что при кристаллизации отливки достаточной длины возможен выбор таких параметров технологического процесса, при которых значительная часть отливки вдали от ее концов будет кристаллизоваться при постоянных условиях роста твердой фазы, в так называемом квазистационарном режиме.
Проведен анализ влияния технологических факторов и конструкции теплового узла установки для НК на тепловые условия в двухфазной зоне отливки. Получены зависимости градиента температуры на фронте роста от температуры нагревателей, способа охлаждения и температуры охладителя, от толщины и коэффициента теплопроводности материала формы.
На основе полученных аналитических решений сделан вывод, что в квазистационарном режиме кристаллизации максимальный градиент температуры в отливке, и градиент температуры на фронте роста (на изотерме ), определяются следующими выражениями
|
. |
(1) |
Здесь и ; , - критерии Био, характеризующие процесс теплопередачи между металлом, нагревателем и холодильником установки; - коэффициент теплопроводности металла; - коэффициент теплопередачи с поверхности нагревателя через стенку формы к металлу; коэффициент теплопередачи в зоне охлаждения; - длина, периметр и площадь сечения отливки; - безразмерные температуры нагревателя и холодильника.
Для увеличения градиента на фронте роста необходимо увеличивать температуру нагревателя и интенсифицировать теплопередачу через стенки формы. Увеличение температуры нагревателя должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением интенсивности охлаждения отливки в холодильнике. Это необходимо для поддержания динамического равновесия в системе, при котором расположение фронта роста является оптимальным.
Выражение (1) является следствием фундаментального положения, справедливого не только для отливок с постоянным сечением: для увеличения градиента температуры необходимо увеличить мощность источника, обеспечивающего поток тепла на фронте роста.
Интенсификация теплоотдачи только в холодильнике установки приводит к увеличению максимального градиента температуры, наблюдаемого в отливке, однако, величина может оставаться неизменной за счет смещения фронта роста в сторону нагревателя.
На основании проведенного анализа показано, что основным направлением совершенствования режимов НК является создание условий, при которых двухфазная зона отливки располагается вблизи области максимального градиента температуры в отливке. При этом должен быть на уровне, необходимом для формирования в отливке требуемой макро- и микроструктуры.
На начальном этапе кристаллизации градиент температуры и положение фронта кристаллизации зависят от термического сопротивления между фронтом и кристаллизатором и температуры нагревателя.
На последующих этапах градиент температуры существенно зависит от толщины экранов между горячей и холодной зонами печи, а также от толщины стенок и теплопроводности формы.
На основе анализа модели НК получены зависимости, связывающие, градиент температуры на фронте кристаллизации и температуру нагревателя с толщиной экранной зоны и положением фронта кристаллизации относительно экранов . Результаты справедливы для установившегося режима НК при малых скоростях перемещения формы порядка 10 мм/ч.
Величина градиента температуры на фронте кристаллизации и температура нагревателя, соответствующие заданному положению фронта в отливке , определяются соотношением расстояний от фронта кристаллизации до нагревателя и до холодильника (рис. 1 и 2).
Рис.1. Схематическое изображение трех предельных режимов направленной кристаллизации. L - жидкая фаза; S - твердая фаза.
При расположении фронта вблизи верхней границы экранов , увеличение толщины экранов приводит к удалению холодильника от фронта кристаллизации. В этом случае, показанном на рис.1 и рис.2 под цифрой I, градиент температуры преимущественно зависит от толщины экранов: и . При расположении фронта кристаллизации вблизи зоны охлаждения , увеличение толщины экранов приводит к отдалению нагревателя от фронта кристаллизации. Связанное с этим уменьшение обогреваемой боковой поверхности формы должно быть компенсировано увеличением температуры нагревателя, градиент температуры вследствие неизменных условий охлаждения остается постоянным, т.е. и (см. рис.1 и рис. 2, режим II).
При НК по методу Бриджмена существует такое положение фронта кристаллизации в экранной зоне , при котором тенденции к увеличению температуры нагревателя (вследствие удаления фронта от нагревателя) и к уменьшению (вследствие удаления фронта от холодильника) компенсируют друг друга. В этом случае для любых температура нагревателя остается неизменной (рис.2, III).
Рис.2. Зависимость температуры нагревателя (а) и градиента температуры (б) от толщины экранов и положения фронта в экранной зоне при фиксированном положении фронта в отливке (метод Бриджмена).
В рамках квазистационарной модели процесса НК изучено влияние формы на условия в двухфазной зоне отливки.
В формах с низким коэффициентом теплопроводности величины и определяются исключительно термическим сопротивлением стенок формы . Увеличение толщины стенки ухудшает условия теплопередачи через боковую поверхность формы и приводит к увеличению температуры нагревателя, необходимой для удержания фронта кристаллизации в заданном положении. Увеличение термического сопротивления стенок формы приводит к существенному падению градиента температуры.
При малом термическом сопротивлении стенок формы значения и в (1) определяются преимущественно лучистым теплообменом на поверхности формы и поэтому прямо пропорциональны отношению периметров внешней и внутренней поверхностей формы, . В этом случае увеличение термического сопротивления за счет увеличения толщины стенки формы (при ) в значительной степени компенсируется интенсификацией теплообмена излучением. Как следствие этого, наблюдается значительно меньшее снижение (по сравнению с низкотеплопроводной формой) при меньшем увеличении температуры .
Высокий коэффициент теплоотдачи от поверхности формы в охладитель обусловливает особенности влияния на условия кристаллизации по методу LMC толщины стенок формы и их термического сопротивления. Влияние толщины стенок формы в виде отношения периметров формы и отливки существенно в зоне нагрева боковой поверхности формы, если коэффициент теплопередачи излучением соизмерим с термической проводимостью стенок формы. В зоне охлаждения лимитирующим является термическое сопротивление стенок формы .
Рис.3. Зависимость температуры нагревателя а) и градиента температуры б) от толщины и термического сопротивления стенок формы (метод LMC); отношение периметров внешней и внутренней поверхностей формы.
Преимущества жидкометаллического холодильника наиболее проявляются при направленной кристаллизации отливок сложной геометрической формы, например лопаток ГТД. В этом случае удается обеспечить более стабильные условия охлаждения, чем при методе Бриджмена. Тем не менее, перемещение фронта роста из одного сечения сложной отливки в другое сопровождается дрейфом фронта (т.е. смещением его относительно теплового узла установки) и изменением градиента температуры.